海面環境下艦船目標的RCS測試建模分析

王雅芬，江志浩，黃 猛，張振杰

（中國人民解放軍91977部隊，北京 102249）

0 引言

在現代信息化條件下的海戰中，由于各種先進探測裝備和精確制導武器的廣泛應用，艦船目標被發現和被打擊的可能性大大提高，所面臨的威脅越來越大。為了提高自身的生存能力，并在作戰中獲得更多的戰術優勢，進行隱身設計已成為艦船目標設計的客觀要求和發展的必然趨勢[1-2]。進而也對海面環境下艦船目標電磁散射特性的測試評估技術提出了更高的要求。本文在分析國內外海面艦船電磁散射特性測試評估技術現狀的基礎上，結合我國現有技術基礎與研究條件，提出采用全尺寸測試、縮比模型試驗和仿真建模相結合的方式，獲取具有一定置信度的海面環境條件下艦船目標 RCS特性，為艦船目標隱身技術研究和探測制導技術研究提供支撐。

1 國內外海面環境下艦船RCS測試建模技術現狀

在相當一段時間里，由于理論基礎較為薄弱，研究者在研究水面艦船的電磁散射特性時，習慣將艦船目標和波浪海面環境分為 2個獨立的分支領域分別開展研究。但是，對海面目標或低空飛行的海上目標而言，海面散射場及目標與海面之間的耦合散射場會對目標散射回波特征造成顯著的影響，導致在應用雷達檢測、識別目標時出現虛警和漏警。此外，海面散射場及其與水面目標的耦合散射場也給目標的制導與跟蹤帶來很大的困難。

常用的海面目標 RCS測試評估方法有全尺寸測試、電磁縮比測試[4]以及以及理論建模數值仿真等3種方法。前2種方式獲取的數據置信度高，但測量周期較長，需要配合測量的裝備較多，受環境因素影響大而且成本非常大；理論建模和數值仿真方式獲取海面目標電磁散射特性數據更為容易且方便，但是置信度需要通過前2種方式來驗證。

國外有關海面電磁散射的研究開展較早，進行了諸多的實驗和理論研究，特別在粗糙海面考慮遮蔽效應、多重散射和后向增強效應方面取得了一些顯著的研究成果[3]，對于中、小入射角下，有關波浪導致的粗糙海面散射特性理論也較成熟，而且針對艦船在海面環境下的電磁散射特點建立了開展相關研究的專用水面測試場。其中，比較具有代表性的有意大利艦船RCS海面試驗場和美國MASK室內試驗場等[4-5]。意大利的艦船RCS試驗場及測試系統可用于進行模擬海面環境下的艦船縮比模型和上層建筑、部件的RCS試驗研究。美國MASK試驗場配置了造浪裝置以有效模擬粗糙海面雜波特性，最大可縮比模擬5級海況，為艦船與水面間相互耦合作用的研究提供了良好的技術條件。

目前，我國海面環境下艦船目標復合電磁散射特性的實測和理論處于起步階段，基于海面環境的艦船電磁散射試驗場基本沒有，尚不具備采用海上全尺寸測量或室內造浪電磁縮比試驗研究高海況條件下水面艦船電磁散射特性的條件。然而，經過近20年的發展，我國在建模建庫與仿真計算方面已經取得了一些進展，在此基礎上，采用全尺寸測試、電磁縮比測試[4]以及以及理論建模數值仿真等3種方法相結合的方式獲取具有一定置信度的海面艦船RCS數據已經成為可能。

2 海面環境下艦船RCS特點

艦船是多結構區域、多種散射機制并存的超電大尺寸復雜目標，舷體、上層建筑和桅桿構成了全艦的主體，甲板上層布置的大量電子設備和建筑布置緊湊且樣式復雜各異（如煙筒、櫥柜、水管、加固扳、梯子、過道、艙口、雷達天線等）。在諸多結構中，上層建筑主要由平板結構組成，平面鏡面反射效應最顯著，同時并存著繞射效應；舷體主要由光滑曲面和平面（甲板和艦艇的舷墻）組成，以鏡面反射為主；桅桿尺寸相對較小，但其上面布置的大量天線導致了強烈的多次散射效應和繞射效應，這使該區域的雷達波散射特性異常復雜。此外，海面作為外部環境區域，也因其與大型水面艦船舷體之間的相互作用影響了全艦的RCS。

在艦船目標與海面環境一體化復合電磁散射中，占主要成分的是艦船目標本體電磁散射和艦船目標與海面之間的互耦電磁散射[6]，如圖1所示。其中，艦船目標本體電磁散射 RCS是在探測雷達波直接照射下，沿接收方向散射強度的度量，是艦船目標在自由空間下的RCS。艦船目標與海面之間的互耦電磁散射RCS主要包括以下3種情況[6]：

圖1 艦船與海面復合散射中的RCS分量Fig. 1 RCS components in composite scattering of ship and sea surface

1）艦船目標在探測雷達波直接照射下，一部分散射方向指向海面，通過與海面發生相互作用而改變了傳播方向，進而被探測天線接收；

2）探測雷達波經過海面散射后照射目標，沿接收方向被探測天線接收；

3）探測雷達波經過海面散射后作用于目標，目標的散射能量又通過與海面發生作用后被探測天線接收。

根據效度檢驗,各項目的相應潛變量的因子荷載值介于0.723～0.957之間(表3),說明問卷的構想效度良好;測試題項與整體的相關系數的絕對值均大于0.3 (表3),說明,觀測變量可信,量表內容具有良好的內容效度。

3 艦船目標與海面之間的互耦電磁散射建模方法[3，5，7-12，17]

通過建立艦船目標與海面之間的互耦電磁散射模型，可以將復雜的海面與艦船目標電磁散射耦合問題分解為粗糙海面表面電磁特性與艦船表面精細結構電磁散射特性問題；而海面電磁特性與艦船表面電磁特性均是可以采用外場實測或內場實測進行測量的。這樣，就可以建立一種“半確定性”的海面環境下艦船目標的電磁散射測試評估方法，可以在不具備海洋環境下全尺寸測試或造浪模擬粗糙海面條件下縮比測試條件時，對海面艦船的耦合電磁散射特性進行定量評估。

3.1 艦船電磁物理模型推斷

基于艦船目標基礎電磁物理模型輸入，開展目標在典型頻段和角度下的電磁散射特性計算與散射機理診斷分析，確定目標強散射部件和敏感散射源；基于散射機理可類比的國內外艦船電磁建模經驗，結合診斷分析結果，對當前艦船目標開展電磁逆向修模和模型敏感散射源的不確定參量分布推斷，構建不確定散射源部件的電磁耦合傳遞效應，最終形成目標電磁散射特性分布模型。物理模型推斷流程見圖2。

圖2 艦船電磁散射物理模型推斷過程Fig. 2 Inference process of physical model of ship electromagnetic scattering

3.2 海洋表面對艦船雷達反射率的影響

基于推斷的艦船目標電磁模型和典型海面背景散射模型，利用目標與背景一體化電磁散射建模方法，精細刻畫艦船目標與不同海況下動態海面的多跳耦合散射效應，構建艦船目標與典型海場景的耦合散射特性模型。

根據四路徑原理[7]，艦船目標與典型海場景的耦合散射特性模型幾何關系如圖 3所示，海洋表面對艦船雷達反射率的影響利用四路徑方法進行估計。

圖3 雷達與艦船海面復合模型的幾何關系Fig. 3 Geometric relationship between radar and ship sea surface composite model

圖3中：R0是雷達初始位置距離坐標原點的距離；H是雷達距離水平面高度；θ是俯角；R為雷達到目標的距離；p（x0，y0，z0）為艦船目標所處位置。

通過分析，可以將雷達接收到的艦船目標回波歸為4條路徑：

1）路徑 1指從艦船目標直接回波，即雷達-目標-雷達：2R 。

2）路徑2指二次散射回波，即雷達-海面-目標-雷達：

3.3 多普勒特性

艦船目標的運動特性包括航速、航向、最大航速、航跡、橫搖、縱搖等參數。航行中的艦船會隨著時間和航線變化位置不同，同時由于海面作用，艦船會發生六自由度的晃動。根據力學原理，運動目標可分解為平動和轉動分量[8]，轉動分量反應目標相對質心的運動信息，引起不同時間下散射場的差異。通過逐個時間點準靜態艦船模型電磁散射場的仿真，得到回波序列，再通過傅里葉變換獲取其多普勒譜。多普勒譜中包含了艦船目標動態信息。

1）多普勒譜：多普勒譜針對艦船的平動及質心的移動。根據不同時間艦船距離雷達的位置、入射角和接收角度的相對變化，得到準靜態下目標的散射回波，通過傅里葉變換得到目標多普勒譜[11]。

2）時間-多普勒譜：考慮艦船在不同時間，相對質心的轉動，獲取不同準靜態下目標各部件幾何位置，從而計算目標轉動下回波，通過傅里葉變換得到時間-多普勒譜。

3）微多普勒譜：艦船上有很多活動部件，即便在艦船沒有運動的情況下也會發生位置變化，如螺旋槳等。不同時間點下，根據不同部件的運動狀態，更新艦船幾何模型坐標信息，獲取回波，傅里葉變換得到微多普勒譜。

3.4 半確定性電磁復合散射模型[14，16]

半確定性電磁復合散射模型對目標外形、海面環境大尺度起伏采用確定性描述[5]，對微尺度結構（隨機海浪）采用隨機散射模型化描述，實現海面與艦船目標的電磁復合散射建模，如圖4所示。

圖4 半確定性復合電磁散射建模原理框圖Fig. 4 Block diagram of semi-deterministic composite electromagnetic scattering modeling principle

根據建模的模型進行目標電磁散射特性仿真計算，利用測量數據進行目標電磁散射特性置信度驗證，并不斷進行模型迭代修正。

4 結束語

隨著軍事需求和科技的不斷發展，需要構建艦船目標動態特性測試體系，同時不斷完善和補充水中、地（艦）基、機載、球載和星載信息獲取平臺以及實驗室模擬測量系統，進一步開展目標與背景的復合建模技術和基于目標特性的數據挖掘技術研究，為艦船目標的隱身設計提供技術支撐和數據保障。